JP2010203439A - Effusion cooled one-piece can combustor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、総括的に、ガスタービンの構成部品を冷却する手段に関し、より具体的には、単一構成缶型燃焼器の噴流冷却に関する。 The present invention relates generally to means for cooling gas turbine components, and more specifically to jet cooling of a single component can combustor.
ガスタービンは、タービン入口温度を最大値にまで引き上げることができる場合に極めて効率的に動作することができる。しかしながら、ここから燃焼ガスが発生してタービン入口に流入することになる燃焼室は、1500°Fを遙かに上回る動作温度に達し、長期にわたる使用期間において最先端の合金でさえこのような温度に耐えることはできない。従って、タービンの性能及び寿命は、極端な加熱条件に曝されるタービン構成部品に提供できる冷却の程度に大きく依存する。 A gas turbine can operate very efficiently if the turbine inlet temperature can be raised to a maximum value. However, the combustion chambers from which combustion gases are generated and flow into the turbine inlet reach operating temperatures well above 1500 ° F., even with the most advanced alloys over long periods of use. Cannot withstand. Thus, turbine performance and lifetime are highly dependent on the degree of cooling that can be provided to turbine components that are exposed to extreme heating conditions.
圧縮機吐出空気を使用してタービン構成部品を冷却する一般的な概念は、当該技術分野で公知である。しかしながら、タービン設計の開発及び変形形態には、タービン構成部品向けの冷却機構が実装された特定の構造を必ずしも伴っていない。従って、新規に開発されたタービン設計に冷却機構を具現化させる必要性がある。 The general concept of cooling turbine components using compressor discharge air is known in the art. However, turbine design developments and variations do not necessarily involve a specific structure in which a cooling mechanism for turbine components is implemented. Accordingly, there is a need to implement a cooling mechanism in a newly developed turbine design.
以下は、本発明の幾つかの例示的な態様の基本的理解を提供するために本発明の簡易的な要約を提示している。この要約は、本発明の広範囲に及ぶ概要ではない。更に、この要約は、本発明の重要な要素を特定すること、及び本発明の技術的範囲を正確に説明することを意図するものではない。この要約の唯一の目的は、後述する詳細な説明の前置きとして本発明の幾つかの概念を簡易的な形態で示すことである。 The following presents a simplified summary of the invention in order to provide a basic understanding of some exemplary aspects of the invention. This summary is not an extensive overview of the invention. Furthermore, this summary is not intended to identify key elements of the invention or to accurately describe the scope of the invention. Its sole purpose is to present some concepts of the invention in a simplified form as a prelude to the more detailed description that is presented later.
本発明による上記及び他の態様を達成するために、燃焼器ヘッド端部からタービン入口に直接移行する単一移行部品を含む、産業用タービンための缶型燃焼器が提供される。移行部品は、圧縮機吐出空気流のための外部空間と、燃焼ガス流のための内部空間とを定める。移行部品は、外部空間の境界を定める外表面と内部空間の境界を定める内表面とを含む。移行部品は、圧縮機吐出空気流が内部空間に流入できるように構成された複数のアパーチャを含む。複数のアパーチャの各々は、外表面上の入口部分から内表面上の出口部分に延びる。 To achieve the above and other aspects in accordance with the present invention, a can combustor for an industrial turbine is provided that includes a single transition piece that transitions directly from the combustor head end to the turbine inlet. The transition piece defines an external space for the compressor discharge air flow and an internal space for the combustion gas flow. The transition piece includes an outer surface that defines an outer space boundary and an inner surface that defines an inner space boundary. The transition piece includes a plurality of apertures configured to allow the compressor discharge air flow to flow into the interior space. Each of the plurality of apertures extends from an inlet portion on the outer surface to an outlet portion on the inner surface.
本発明の別の態様によれば、産業用タービンエンジンは、燃焼セクションと、燃焼セクションの下流側にある空気吐出セクションと、燃焼セクションと空気吐出セクションとの間の移行領域と、燃焼器移行部品とを含む。燃焼器移行部品は、燃焼セクションと移行領域とを定める。移行部品は、燃焼ガス流を空気吐出セクションに対応するタービンの第1段に運ぶように適合され、圧縮機吐出空気流のための外部空間及び燃焼ガス流のための内部空間を定める。移行部品は、外部空間の境界を定める外表面と、内部空間の境界を定める内表面とを含み、圧縮機吐出空気流が内部空間に流入できるように構成された複数のアパーチャを含む。複数のアパーチャの各々は、外表面上の入口部分から内表面上の出口部分に延びる。 According to another aspect of the invention, an industrial turbine engine includes a combustion section, an air discharge section downstream of the combustion section, a transition region between the combustion section and the air discharge section, and a combustor transition component. Including. The combustor transition piece defines a combustion section and a transition region. The transition piece is adapted to carry the combustion gas stream to the first stage of the turbine corresponding to the air discharge section and defines an external space for the compressor discharge air stream and an internal space for the combustion gas stream. The transition piece includes an outer surface that defines an outer space boundary and an inner surface that defines an inner space boundary, and includes a plurality of apertures configured to allow compressor discharge airflow to flow into the inner space. Each of the plurality of apertures extends from an inlet portion on the outer surface to an outlet portion on the inner surface.
本発明の前述及び他の態様は、添付図を参照して以下の説明を読むと、本発明に関連する当業者には明らかになるであろう。 The foregoing and other aspects of the present invention will become apparent to those skilled in the art to which the present invention relates upon reading the following description with reference to the accompanying drawings.
本発明の1つ又はそれ以上の態様を組込んだ例示的な実施形態を説明し且つ図面において例示する。これらの図示した実施例は、本発明を限定することを意図するものではない。例えば、本発明の1つ又はそれ以上の態様は、他の実施形態において利用することができ、更に、他のタイプの装置においても利用することができる。 Illustrative embodiments incorporating one or more aspects of the invention are described and illustrated in the drawings. These illustrated embodiments are not intended to limit the invention. For example, one or more aspects of the present invention can be utilized in other embodiments and can also be utilized in other types of devices.
図1は、本発明を実施することができる単一構成の燃焼器10の実施形態を示す。この図示の例示的な実施形態は、缶型環状逆流燃焼器10であるが、本発明は、他のタイプの燃焼器にも適用可能である。燃焼器10は、空気と燃料とを限定された空間内で燃焼し、且つ結果として生じた燃焼ガスをベーンの固定列を通して吐出することによって、タービンの回転運動を駆動するのに必要なガスを発生する。動作中、圧縮機からの吐出空気は、燃焼器10の外側を通り過ぎると方向を反転し、タービンに向かう途中で再び燃焼器10に流入する。加圧空気及び燃料は燃焼室内で燃焼される。燃焼ガスは、移行部品120を介してタービンセクションに高速で流入する。吐出空気が、移行部品120の外表面上を流れるときに、燃焼器構成部品に対流冷却を提供する。
FIG. 1 illustrates an embodiment of a single configuration combustor 10 in which the present invention may be implemented. The illustrated exemplary embodiment is a can-type annular backflow combustor 10, but the invention is applicable to other types of combustors. The combustor 10 burns air and fuel in a limited space, and discharges the resulting combustion gas through a fixed train of vanes, thereby providing the gas necessary to drive the rotational motion of the turbine. appear. During operation, the discharge air from the compressor reverses direction as it passes the outside of the combustor 10 and flows again into the combustor 10 on the way to the turbine. Pressurized air and fuel are combusted in the combustion chamber. Combustion gas enters the turbine section at high speed via the
図1において、移行部品120は、円形の燃焼器ヘッド端部100からタービンアニュラスセクタ102(符号16で示すタービンの第1段に相当する)に単一構成で直接移行する。単一構成の移行部品120は、組立て又は製造を容易にするために、共に溶接又は接合される2つの半部分又は複数の構成部品から形成することができる。スリーブ129はまた、円形燃焼器ヘッド端部100から移行部品120の後方フレーム128に単一構成で直接移行する。単一構成のスリーブ129は、2つの半部分から形成され、組立てを容易にするため共に溶接又は接合することができる。スリーブ129と後方フレーム128との間の接合は、冷却アニュラス124に対して実質的に閉鎖した端部を形成する。また、「単一」とは、要素を接合するために何らかの適切な手段に基づいて共に接合された複数の部品、及び/又は単体構造、及び/又は単一構成、及び同様のものを意味する。
In FIG. 1, the
図1において、移行部品120の外表面にわたって対流処理された吐出空気の環状流がある。例示的な実施形態において、吐出空気はスリーブ129を通って流れ、該スリーブ129が環状ギャップを形成して、高い伝熱係数を生成するよう流速を十分に高速にできるようにする。スリーブ129は、移行部品120を囲み、これらの間にフローアニュラス124を形成する。アニュラス124において移動する直交流冷却空気は、矢印で示すように上流側に流れ続ける。代替の実施形態において、スリーブ129は、燃焼器ヘッド端部100から後方フレーム128に完全には延びることができない。移行部品120の円形領域は、図2から図3においてより詳細に検討する。
In FIG. 1, there is an annular flow of discharged air that has been convectively treated over the outer surface of the
従来の燃焼器において、燃焼器ライナ及びフロースリーブは一般に、移行部品及びスリーブそれぞれの上流側で見られる。しかしながら、図1の単一構成缶型燃焼器において、燃焼器ライナ及びフロースリーブは、より短い長さの燃焼器を提供するために排除されている。単一構成缶型燃焼器の主要な構成部品は、円形キャップ134、複数の燃料ノズル138を支持する端部カバー136、移行部品120、及びスリーブ129を含み、これらは当該技術分野で公知である。例えば、単一構成缶型燃焼器のより詳細な説明は、Widener他に付与された米国特許第7,082,766号に見られる。
In conventional combustors, the combustor liner and flow sleeve are generally found upstream of the transition piece and sleeve, respectively. However, in the single configuration can combustor of FIG. 1, the combustor liner and flow sleeve have been eliminated to provide a shorter length combustor. The major components of a single component can combustor include a
図2は、分離した状態で、複数のアパーチャ又は噴流孔200と共に形成された単一構成の移行部品120の実施形態を示す。図2は、単に説明を簡単にする目的で燃焼器ヘッド端部100付近のアパーチャ200の1つの例示的な配列を示しており、この例示的な配列は、本発明の限定と解釈してはならない点に留意されたい。従って、アパーチャ200の形成は、移行部品120の他の選択領域にあるか、又はその領域にまで広がり、或いは外表面全体にわたることができる。アパーチャ200が形成される選択領域は、タービンの動作中に他の領域よりも相対的に高温になる傾向があり、従って、冷却を更に行うことで恩恵を受けることができる移行部品120上のスポットとすることができる。或いはまた、アパーチャ200は、円周方向に分散した様態で形成することができ、又は移行部品120の上流部分から下流部分に延びることができる。更に図2は、複数のアパーチャ200をパターン化することができる複数の可能な配列の1つのみを示している。例えばアパーチャ200は、互いの周囲で直交方向に配置することができる。別の実施例において、列をなした各アパーチャ200は、隣接する列のアパーチャに対し僅かにオフセットすることができる。配列のかかる多様性は、本発明の技術的範囲内にある。
FIG. 2 illustrates an embodiment of a single
図3は、移行部品120の一部である壁300を通って形成されたアパーチャ200を通る断面図を示す。この場合もまた、説明を簡単にするために、限定数のアパーチャ200が移行部品120上に示されている。図3は、壁300の外表面300a及び内表面300bを示す。壁上の領域は、移行部品120の外部空間302であり、壁下の領域は、移行部品120の内部空間304である。上述のように、実施形態又は移行部品120の部分に応じて、スリーブ129は、移行部品120に隣接して存在する場合があり、又は存在しない場合もあり、従って、フローアニュラス124がこの領域に形成される場合、又は形成されない場合がある。スリーブ129が存在する場合、スリーブ129は、外部空間302の一部であり、フローアニュラス124は、スリーブ129と移行部品120との間に形成されることになる。
FIG. 3 shows a cross-sectional view through an
図3の右側は、タービンの上流領域に相当し、図3の左側は、タービンの下流領域に相当する。従って、高温ガスから構成される流れHは、燃焼室から発生し、移行部品120の内部空間304の下流側に配向される。燃焼高温ガスよりも低温の圧縮吐出空気から構成される流れCは、圧縮機から発生するが、タービンの下流領域から移行部品120に接近し、移行部品120の外部空間302の上流側に移動し、これは、通常の缶型環状逆流燃焼器と同様である。
The right side of FIG. 3 corresponds to the upstream region of the turbine, and the left side of FIG. 3 corresponds to the downstream region of the turbine. Thus, a flow H composed of hot gas is generated from the combustion chamber and is directed downstream of the interior space 304 of the
アパーチャ200は、壁300の外表面300aから内表面300bまで延びる。本発明は、壁300に垂直に形成されたアパーチャ200、及び壁300に角度θで形成されたアパーチャ200を含む。図3において、アパーチャ200は、該アパーチャ200の出口部分200bがアパーチャ200の入口部分200aに対して下流側又は後方になるように角度θで示される。一実施形態において、角度θは、アパーチャ200の長手方向軸線200c及び壁300の接線方向であり且つ下流側に向けられる方向202によって形成される。角度θは、30度の鋭角とすることができ、20から35度の範囲とすることができる。しかしながら、より小さな又はより大きな他の角度も企図される。図3において、下流側接線は左を指している。第2のアパーチャ200は実質的に円筒形であるが、アパーチャ200が壁300に垂直でない場合には、入口部分200a及び出口部分200bは楕円形を有することになる。しかしながら、アパーチャ200、400は、円形ではなく、例えば多角形などの断面を有することができる。
The
アパーチャ200の別の変形形態は、入口部分200aの角度位置が、移行部品120の円周上の出口部分200bの角度位置と異なることができるものである。更にアパーチャ200の出口部分200bは、アパーチャ200の入口部分200aに対して上流側又は前方側とすることができ、これによりアパーチャ200の長手方向軸線と方向202との間に鈍角を生成する。
Another variation of the
図3において、アパーチャ200は、入口部分から出口部分まで一定の直径を備えたほぼ円筒の幾何形状を有する。一実施形態において、直径は0.03インチとすることができ、或いは、0.02インチから0.04インチの範囲とすることができる。勿論、アパーチャ200の他の直径も企図される。例えば、アパーチャ200は、壁300を通して直径が漸次的に増加又は減少することができる。
In FIG. 3, the
アパーチャ200は、レーザドリル加工又はコスト及び精度などの要因に基づいて選択された他の機械加工法によって、移行部品120の壁300を貫通して形成することができる。
The
図3において、流れCは、外表面300aを通り過ぎる間に熱を除去することによって、移行部品120の対流冷却を行う。アパーチャ又は噴流孔200によって生成される流れEは、移行部品120の全体又は選択領域において空気ジェットを提供し、これは、冷却空気がそこで内表面に接触するアパーチャ200を通過するときに移行部品120を冷却する。噴流冷却は浸出冷却の一形態である。壁300に垂直なもの以外のアパーチャは、長さの増大に起因して、壁に垂直なアパーチャに比べてより大きな内表面を有し、その結果、熱伝達が延長され、移行部品120のより大きな冷却を達成することができる。更に、冷却空気がアパーチャ200の出口部分200bから出た後、冷却空気の層又は膜が、移行部品120の壁300の内表面300bに隣接して形成される。内表面300b上のかかる冷却空気の層の形成は、移行部品120を更に冷却する。冷却空気により必要とされる方向の変化の程度が低減されるので、直角のアパーチャに比べ、角度付きアパーチャによってかかる層の形成が促進される。しかしながら本発明は、直角及び角度付きのアパーチャの2つの変形形態を含む。内表面上に形成された膜による冷却は、孔の大きさ及び角度が低減されるにつれて改善することができる。しかしながら、孔が小さくなるほど、不純物を遮断する傾向がより強くなる。相対的に、より大きな孔は、冷却空気ジェットによって高温ガスストリームの過度の浸透を引き起こし、タービンの効率を低減させる可能性がある。従って、かかる利点及び欠点は、噴流孔の幾何形状を決定する際に全体的に考慮する必要がある。
In FIG. 3, stream C provides convective cooling of the
上述の例示的な実施形態に関して本発明を説明してきた。本明細書を読み理解すると、修正及び代替形態が想起されるであろう。本発明の1つ又はそれ以上の態様を組み込む例示的な実施形態は、添付の請求項の技術的範囲内にある限り、かかる全ての修正及び代替を含むものとする。 The invention has been described with reference to the exemplary embodiments described above. Modifications and alternatives will occur to others upon reading and understanding this specification. Exemplary embodiments incorporating one or more aspects of the invention are intended to include all such modifications and alternatives as long as they are within the scope of the appended claims.
10 単一構成燃焼器
10 缶型環状逆流燃焼器
10 燃焼器(2)
10 燃焼器
100 円形燃焼器ヘッド端部(2)
100 燃焼器ヘッド端部(2)
102 タービンアニュラスセクタ
120 移行部品(29)
120 単一構成移行部品
120 単一構成移行部品
124 冷却アニュラス
124 フローアニュラス(3)
124 アニュラス
128 後方フレーム(3)
129 スリーブ(10)
129 単一構成スリーブ
134 円形キャップ
136 端部カバー
138 複数の燃料ノズル
200 噴流孔(2)
200 アパーチャ(23)
200 アパーチャの選択領域
200 複数のアパーチャ
200 各アパーチャ
200 限定数のアパーチャ
200 アパーチャを含む
200 第2のアパーチャ
200a 入口部分(2)
200a 入口部分(2)
200b 出口部分(2)
200b 出口部分(3)
200c 長手方向軸線
202 方向(2)
300 壁(11)
300a 外表面(3)
300b 内表面(4)
302 外部空間(3)
304 内部空間(2)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Single component combustor 10 Can-type annular backflow combustor 10 Combustor
10
100 Combustor head end (2)
102
120 single
124
129 sleeve (10)
129
200 Aperture (23)
200
200a Entrance part (2)
200b Exit part (2)
200b Exit part (3)
200c
300 walls (11)
300a Outer surface (3)
300b inner surface (4)
302 External space (3)
304 Internal space (2)
Claims (15)
前記移行部品(120)が、内表面(300b)と外表面(300a)とを含み、該内表面(300b)が、前記燃焼器ヘッド端部(100)から前記タービン入り口(16)への燃焼ガス流のための内部空間(304)の境界を定め、前記外表面(300a)が、圧縮機吐出空気流(C)のための領域(302)を少なくとも部分的に定め、前記移行部品が、前記圧縮機吐出空気流を前記内部空間(304)に流入可能にするよう構成された複数のアパーチャ(200)を含み、前記複数のアパーチャ(200)の各々が、前記外表面(300a)上の入口部分(200a)から前記内表面(300b)上の出口部分(200b)に延びている燃焼器。 An industrial turbine combustor with a single transition piece (120) that transitions directly from the combustor head end (100) to the turbine inlet (16),
The transition piece (120) includes an inner surface (300b) and an outer surface (300a), the inner surface (300b) burning from the combustor head end (100) to the turbine inlet (16). Demarcating an interior space (304) for gas flow, the outer surface (300a) at least partially defining a region (302) for compressor discharge air flow (C), and the transition piece comprises: A plurality of apertures (200) configured to allow the compressor discharge air stream to flow into the interior space (304), each of the plurality of apertures (200) being on the outer surface (300a); A combustor extending from an inlet portion (200a) to an outlet portion (200b) on the inner surface (300b).
請求項1記載の燃焼器。 One of the inlet part (200a) and the outlet part (200b) is disposed further downstream than the other of the inlet part (200a) and the outlet part (200b).
The combustor according to claim 1.
請求項2記載の燃焼器。 The combustor is in a direction in which the combustion gas flow (H) and the compressor discharge air flow (C) face each other, and a longitudinal axis (200c) passing through the aperture (200) is a direction of the combustion gas flow (H). A can-type annular backflow type configured to form an acute angle (θ) with respect to the direction of the compressor discharge air flow (C).
The combustor according to claim 2.
請求項1記載の燃焼器。 The longitudinal axis (200c) passing through the aperture (200) is oriented to form an acute angle (θ) with respect to the downstream tangent of the outer surface (300a);
The combustor according to claim 1.
請求項4記載の燃焼器。 The acute angle (θ) is in the range of 20 ° to 35 °,
The combustor according to claim 4.
請求項1記載の燃焼器。 The plurality of apertures (200) have a constant diameter ranging from 0.02 inches to 0.04 inches from the inlet portion (200a) to the outlet portion (200b);
The combustor according to claim 1.
請求項1記載の燃焼器。 The transition piece (120) is unjoined;
The combustor according to claim 1.
前記燃焼セクションの下流側にある空気吐出セクションと、
前記燃焼セクションと前記空気吐出セクションとの間にある移行領域と、
前記燃焼セクション及び前記移行領域を定める燃焼器移行部品(120)と、
を含む産業用タービンエンジンにおいて、
前記移行部品(120)が、燃焼ガス流(H)を前記空気吐出セクションに対応するタービンの第1段に運ぶように適合され、
前記移行部品(120)が、内表面(300b)及び外表面(300a)を含み、
前記内表面(300b)が、燃焼器ヘッド端部からタービン入口までの前記燃焼ガス流(H)の内部空間(304)の境界を定め、
前記外表面(300a)が、圧縮機吐出空気流(C)のための領域(302)を少なくとも部分的に定め、
前記移行部品(120)が、前記圧縮機吐出空気流(C)が前記内部空間(304)内に流入できるように構成された複数のアパーチャ(200)を含み、
前記複数のアパーチャ(200)の各々が、前記外表面(300a)上の入口部分(200a)から前記内表面(300b)上の出口部分(200b)に延びている、
産業用タービンエンジン。 A combustion section;
An air discharge section downstream of the combustion section;
A transition region between the combustion section and the air discharge section;
A combustor transition piece (120) defining the combustion section and the transition region;
In industrial turbine engines including
The transition piece (120) is adapted to carry a combustion gas stream (H) to a first stage of a turbine corresponding to the air discharge section;
The transition piece (120) includes an inner surface (300b) and an outer surface (300a);
The inner surface (300b) delimits the internal space (304) of the combustion gas stream (H) from the combustor head end to the turbine inlet;
The outer surface (300a) at least partially defines a region (302) for the compressor discharge airflow (C);
The transition piece (120) includes a plurality of apertures (200) configured to allow the compressor discharge airflow (C) to flow into the interior space (304);
Each of the plurality of apertures (200) extends from an inlet portion (200a) on the outer surface (300a) to an outlet portion (200b) on the inner surface (300b).
Industrial turbine engine.
請求項9記載の産業用タービンエンジン。 One of the inlet part (200a) and the outlet part (200b) is disposed further downstream than the other of the inlet part (200a) and the outlet part (200b).
The industrial turbine engine according to claim 9.
請求項10記載の産業用タービンエンジン。 The combustor transition component (120) is in a direction in which the combustion gas flow (H) and the compressor discharge air flow (C) face each other, and a longitudinal axis (200c) passing through the aperture (200) is the combustion gas flow. It is a can-type annular backflow type configured to form an acute angle (θ) with respect to the direction of (H) and to form an obtuse angle with respect to the direction of the compressor discharge air flow (C).
The industrial turbine engine according to claim 10.
請求項9記載の産業用タービンエンジン。 The longitudinal axis (200c) passing through the aperture (200) is oriented to form an acute angle (θ) with respect to the downstream tangent of the outer surface (300a);
The industrial turbine engine according to claim 9.
請求項12記載の産業用タービンエンジン。 The acute angle (θ) is in the range of 20 ° to 35 °,
The industrial turbine engine according to claim 12.
請求項9記載の産業用タービンエンジン。 The plurality of apertures (200) have a constant diameter ranging from 0.02 inches to 0.04 inches from the inlet portion (200a) to the outlet portion (200b);
The industrial turbine engine according to claim 9.
請求項9記載の産業用タービンエンジン。 The aperture (200) is substantially perpendicular to the outer surface (300a);
The industrial turbine engine according to claim 9.
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